KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ * FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
PARALEL AKTİF GÜÇ FİLTRESİ İÇİN YENİ BİR DENETİM
YÖNTEMİNİN GELİŞTİRİLMESİ VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
DOKTORA TEZİ
MURAT KALE
Anabilim Dalı: Elektrik Eğitimi
Danışman: Doç.Dr. Engin ÖZDEMİR
i ÖNSÖZ
Yüksek verimlerinden dolayı kullanımı hızla artan statik güç çeviricileri, güç sistemlerinde ciddi güç kalitesi problemlerine yol açmaktadır. Geleneksel yöntemlerin yetersizliğinden dolayı aktif güç filtreleri geliştirilmiştir. Bu tezde paralel aktif güç filtresinin güç devresi kayıplarının azaltıldığı yeni bir histerisiz bant PWM yöntemi önerilmekte, simülasyon ve deney sonuçları sunulmaktadır.
Çalışmalarım süresince her zaman beni destekleyen ve yönlendiren danışmanım Doç.Dr. Engin ÖZDEMİR’e, tez izleme komitesi üyeleri Prof.Dr. Bekir ÇAKIR ve Yrd.Doç.Dr. A. Faruk BAKAN’a teşekkürlerimi sunarım. Laboratuar çalışmalarımı birlikte yaptığımız, destek ve önerileri ile yardımcı olan Arş.Gör. Metin KESLER’e teşekkür ederim.
Çalışmalarım süresince benden desteğini esirgemeyen eşim Esin KALE, babam Sebahattin KALE ve annem Elif KALE’ye teşekkürü bir borç bilirim.
Bu çalışma 103E34 nolu “Şönt Aktif Güç Filtresi ile Harmoniklerin Filtrelenmesi ve Reaktif Güç Kompanzasyonu” adlı Tübitak projesi tarafından desteklenmiştir.
ii İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ ... i İÇİNDEKİLER ... ii ŞEKİLLER DİZİNİ ... iv TABLOLAR DİZİNİ ... viii SİMGELER ... ix ÖZET... xii
İNGİLİZCE ÖZET ... xiii
1. GİRİŞ ... 1
2. ANLIK REAKTİF GÜÇ TEORİSİ VE SENKRON REFERANS YAPI TABANLI REFERANS FİLTRE AKIMLARININ BELİRLENMESİ ... 19
2.1. Anlık Reaktif Güç Teorisi ... 19
2.1.1. Doğrusal olmayan yükün güç bileşenlerinin elde edilmesi... 22
2.1.2. Referans filtre akımlarının anlık reaktif güç teorisi ile belirlenmesi ... 29
2.2. Senkron Referans Yapı ... 33
2.2.1. Doğrusal olmayan yükün akım bileşenlerinin elde edilmesi ... 34
2.2.2. Paralel aktif güç filtresinin senkron referans yapı ile kontrolü ... 40
2.3. Senkron Referans Yapı Tabanlı PAGF Kontrolünde Seçili Harmoniklerin Yok Edilmesi ... 44
3. PARALEL AKTİF GÜÇ FİLTRELERİ ... 49
3.1 Paralel Aktif Güç Filtresinin Kontrol Algoritması... 55
3.2. Paralel Aktif Güç Filtresinin Güç Devresi ... 57
3.2.1. Paralel aktif güç filtrelerinde kullanılan gerilim kaynağı tipi PWM eviricinin matematiksel modeli ... 58
3.2.2. Paralel aktif güç filtresinin DA bara kondansatör değerinin belirlenmesi ... 60
3.2.3. Paralel aktif güç filtresinin AA taraftaki bobin değerinin belirlenmesi ... 61
3.3. Anahtarlama Teknikleri ... 62
3.3.1. Doğrusal akım kontrolü ... 66
3.3.2. Histerisiz bant PWM ... 67
3.3.3. Sayısal ölü-bant kontrol ... 70
3.4. Paralel Aktif Güç Filtresi Simülasyonu ... 71
3.5. Paralel Aktif Güç Filtresinin Laboratuar Prototipi... 76
3.6. Deney Sonuçları ... 80
4. KAYNAK AKIMI ÖLÇÜLEREK PARALEL AKTİF GÜÇ FİLTRESİNİN KONTROLÜ ... 86
4.1. Senkron Referans Yapı Tabanlı Paralel Aktif Güç Filtresi Kontrolünde Referans Kaynak Akımının Belirlenmesi ... 88
4.2. Anlık Reaktif Güç Teorisi Tabanlı Paralel Aktif Güç Filtresi Kontrolünde Referans Kaynak Akımının Belirlenmesi ... 91
4.3. Simülasyon Sonuçları ... 92
4.4 Deney Sonuçları ... 97
5. ÇİFT HİSTERİSİZ BANT PWM YÖNTEMİ ... 102
iii
5.2. Çift Histerisiz Bant PWM Yöntemi Deney Sonuçları ... 110
5.3. Kaynak Akımı Ölçülerek Kontrol Edilen Paralel Aktif Güç Filtresinde Çift Histerisiz Bant PWM’in Uygulanması... 114
6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 123
KAYNAKLAR ... 126
KİŞİSEL YAYINLAR VE ESERLER ... 130
iv ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 1.1: Pozitif sıralı bileşenler, negatif sıralı bileşenler ve sıfır sıralı bileşenler. .... 2
Şekil 1.2: Temel bileşenler (pozitif sıralı bileşenler), ikinci harmonikler (negatif sıralı bileşenler) ve üçüncü harmonikler (sıfır sıralı bileşenler). ... 3
Şekil 1.3: Üç fazlı tristörlü doğrultucu ve tek faz eşdeğer devresi. ... 5
Şekil 1.4: Harmonik akım kaynağı yükün kaynak gerilimi, hat akımı dalga şekli ve harmonik dağılımı. ... 6
Şekil 1.5: Üç fazlı diyotlu doğrultucu ve tek faz eşdeğer devresi. ... 7
Şekil 1.6: Diyotlu doğrultucu faz-nötr ve fazlar arası gerilimi, hat akımı ve harmonik dağılımı. ... 8
Şekil 1.7: Paralel aktif güç filtresi. ... 10
Şekil 1.8: Seri aktif güç filtresi. ... 11
Şekil 1.9: Paralel aktif, paralel pasif güç filtresi. ... 12
Şekil 1.10: Seri aktif paralel pasif güç filtresi. ... 12
Şekil 1.11: Seri aktif paralel pasif güç filtresi. ... 13
Şekil 1.12: Birleşik güç kalitesi düzenleyicisi. ... 13
Şekil 1.13: Akım beslemeli PWM eviricili paralel aktif güç filtresi... 14
Şekil 1.14: Gerilim beslemeli PWM eviricili paralel aktif güç filtresi. ... 14
Şekil 2.1: Üç fazlı üç telli sistem. ... 19
Şekil 2.2: Üç fazlı üç telli a-b-c koordinatlarından iki fazlı α-β koordinatlarına dönüşüm. ... 20
Şekil 2.3: α-β ekseninde anlık akım ve gerilim uzay vektörleri. ... 21
Şekil 2.4: Üç fazlı tristörlü doğrultucu (harmonik akım kaynağı) ... 23
Şekil 2.5: Üç fazlı tristörlü doğrultucu hat akımı, anlık gerçek güç ve anlık sanal güç. ... 24
Şekil 2.6: a) Alçak geçiren filtre içen YGF sistemi. ... 25
b) Yüksek geçiren filtre. ... 25
Şekil 2.7: Alçak geçiren filtre içeren YGF sistemi ve yüksek geçiren filtre Bode diyagramları. ... 25
Şekil 2.8: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hat akımlarının aktif bileşenlerinin elde edilmesi... 26
Şekil 2.9: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hesaplanan hat akımının aktif bileşeni. ... 26
Şekil 2.10: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hat akımlarının aktif ve reaktif bileşenlerinin elde edilmesi. ... 27
Şekil 2.11: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak elde edilen aktif ve reaktif bileşene sahip hat akımı. ... 27
Şekil 2.12: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hat akımlarının harmonik bileşenlerinin elde edilmesi. ... 28
Şekil 2.13: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak elde edilen hat akımının harmonik bileşenleri. ... 28
Şekil 2.14: Harmonik akım kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak referans filtre akımlarının hesaplanması. ... 30
v
Şekil 2.15: Harmonik akım kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak
hesaplanan referans filtre akımı. ... 30
Şekil 2.16: Reaktif güç kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak referans filtre akımlarının hesaplanması. ... 31
Şekil 2.17: Reaktif güç kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hesaplanan referans filtre akımı. ... 31
Şekil 2.18: Harmonik akım ve reaktif güç kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak referans filtre akımlarının hesaplanması. ... 31
Şekil 2.19: Harmonik akım ve reaktif güç kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hesaplanan referans filtre akımı. ... 32
Şekil 2.20: α-β durağan referans yapıdan senkron referans yapıya dönüşüm. ... 34
Şekil 2.21: Üç fazlı tristörlü doğrultucu hat akımı, hat akımının “d” ekseni ve “q” ekseni bileşenleri. ... 35
Şekil 2.22: Doğrusal olmayan yükün hat akımı harmonik dağılımı. ... 36
Şekil 2.23: Doğrusal olmayan yükün hat akımı “d” ekseni harmonik dağılımı. ... 37
Şekil 2.24: Doğrusal olmayan yükün hat akımı “q” ekseni harmonik dağılımı. ... 37
Şekil 2.25: Senkron referans yapı kullanılarak hat akımlarının aktif bileşenlerinin elde edilmesi... 38
Şekil 2.26: Senkron referans yapı kullanılarak elde edilen hat akımı aktif bileşeni. . 38
Şekil 2.27: Senkron referans yapı kullanılarak hat akımlarının aktif ve reaktif bileşenlerinin elde edilmesi. ... 39
Şekil 2.28: Senkron referans yapı kullanılarak elde edilen aktif ve reaktif bileşenlere sahip hat akımı. ... 39
Şekil 2.29: Senkron referans yapı kullanılarak hat akımlarının harmonik bileşenlerinin elde edilmesi. ... 40
Şekil 2.30: Senkron referans yapı kullanılarak elde edilen hat harmonik bileşenleri.40 Şekil 2.31: Harmonik akım kompanzasyonu için senkron referans yapıda referans filtre akımlarının hesaplanması. ... 41
Şekil 2.32: Harmonik akım kompanzasyonu için senkron referans yapı kullanılarak elde edilen referans filtre akımı... 41
Şekil 2.33: Reaktif akım kompanzasyonu için senkron referans yapıda referans filtre akımlarının hesaplanması. ... 42
Şekil 2.34: Reaktif akım kompanzasyonu için senkron referans yapı kullanılarak elde edilen referans filtre akımları. ... 42
Şekil 2.35: Harmonik ve reaktif akım kompanzasyonu için senkron referans yapıda referans filtre akımlarının hesaplanması. ... 43
Şekil 2.36: Harmonik ve reaktif akım kompanzasyonu için senkron referans yapı kullanılarak elde edilen referans filtre akımları. ... 43
Şekil 2.37: 5. harmonik frekansta dönen senkron referans yapıda hat akımının “d” ve “q” eksenleri. ... 45
Şekil 2.38: 5. harmoniği yok etmek için referans filtre akımlarının hesaplanması.... 46
Şekil 2.39: 5. harmoniği yok etmek için hesaplanan referans filtre akımı. ... 46
Şekil 2.40: 7. harmonik frekansta dönen senkron referans yapıda hat akımının “d” ve “q” eksenleri. ... 47
Şekil 2.41: 7. harmoniği yok etmek için referans filtre akımlarının hesaplanması.... 47
Şekil 2.42: 7. harmoniği yok etmek için hesaplanan referans filtre akımı. ... 48
Şekil 3.1: Paralel aktif güç filtresi genel şekli... 49
Şekil 3.2: Harmonik akım kaynağı tipi yüklerde kullanılan paralel aktif güç filtresinin eşdeğer devresi. ... 50
vi
Şekil 3.3: Harmonik gerilim kaynağı tipi yüklerde kullanılan paralel aktif güç
filtresinin eşdeğer devresi. ... 53
Şekil 3.4: Paralel aktif güç filtresi bağlı değil iken ve paralel aktif güç filtresi bağlı iken yükün çektiği akım. ... 55
Şekil 3.5: Anlık reaktif güç teorisi tabanlı paralel aktif güç filtresi kontrolü. ... 56
Şekil 3.6: Senkron referans yapı tabanlı paralel aktif güç filtresi kontrolü. ... 57
Şekil 3.7: Paralel aktif güç filtresi güç devresi. ... 58
Şekil 3.8: Üç fazlı köprü evirici anahtarlama durumları. ... 63
Şekil 3.9: Faz-nötr ve faz-faz gerilimleri. ... 65
Şekil 3.10: Anahtarlama vektörlerinin α-β düzlemindeki yerleri. ... 66
Şekil 3.11: Doğrusal taşıyıcı tabanlı akım kontrolü. ... 67
Şekil 3.12: Histerisiz bant PWM ... 68
Şekil 3.13: İki kondansatörlü evirici bağlantısı... 68
Şekil 3.14: Evirici çıkışındaki akım ve gerilim dalga şekli. ... 69
Şekil 3.15: Bir anahtarlama periyodu boyunca evirici çıkışındaki gerilim ve akım dalga şekilleri. ... 70
Şekil 3.16: Doğrusal olmayan yük ve paralel aktif güç filtresi bağlı bir sistemin Simulink modeli. ... 72
Şekil 3.17: “a” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 73
Şekil 3.18: “b” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 74
Şekil 3.19: “c” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 75
Şekil 3.20: Üç fazlı paralel aktif güç filtresi laboratuar prototipi. ... 76
Şekil 3.21: Paralel aktif güç filtresi laboratuar prototipi fotoğrafı. ... 77
Şekil 3.22: Ölçülen her faz için analog ve sayısal sinyallerin üretilmesi... 78
Şekil 3.23: Üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımları ölçüm katı. ... 79
Şekil 3.24: Kaynak gerilimleri ölçüm katı. ... 79
Şekil 3.25: Üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımları ve filtre akımları örnekleme katı. ... 80
Şekil 3.26: “a” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 82
Şekil 3.27: “b” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 83
Şekil 3.28: “c” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 84
Şekil 3.29: Kaynak gerilimleri, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımları ve kaynak akımları harmonik dağılımları. ... 85
Şekil 4.1: Üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat ve filtre akımı ölçülerek kontrol edilen paralel aktif güç filtresi akım kontrol çevrimi. ... 87
Şekil 4.2: Kaynak akımı ölçülen paralel aktif güç filtresi akım kontrol çevrimi. ... 88
Şekil 4.3: Senkron referans yapı tabanlı referans kaynak akımların hesaplanması. .. 89
Şekil 4.4: Kaynak akımı ölçme yönteminin genel blok diyagramı. ... 90
Şekil 4.5: Anlık reaktif güç teorisi tabanlı referans kaynak akımlarının hesaplanması. ... 92
Şekil 4.6: “a” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 94
vii
Şekil 4.7: “b” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 95 Şekil 4.8: “c” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 96 Şekil 4.9: “a” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 98 Şekil 4.10: “b” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 99 Şekil 4.11: “c” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 100 Şekil 4.12: Kaynak gerilimleri ve kaynak akımları harmonik dağılımları ve THD miktarları. ... 101 Şekil 5.1: Çift histerisiz bant PWM yöntemi ve anahtarlama şekli. ... 104 Şekil 5.2: “a” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 106 Şekil 5.3: “b” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 107 Şekil 5.4: “c” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 108 Şekil 5.5: a-) Histerisiz bant PWM akım hata sinyalleri ... 109 b-) Çift histerisiz bant PWM akım hata sinyalleri. ... 109 Şekil 5.6: “a” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 111 Şekil 5.7: “b” fazı kaynak gerilim, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 112 Şekil 5.8: “c” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 113 Şekil 5.9: Kaynak gerilimleri ve kaynak akımları harmonik dağılımları. ... 114 Şekil 5.10: “a” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 116 Şekil 5.11: “b” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 117 Şekil 5.12: “c” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 118 Şekil 5.13: “a” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 119 Şekil 5.14: “b” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 120 Şekil 5.15: “c” fazı kaynak gerilimi, üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat akımı, filtre akımı ve kaynak akımı. ... 121 Şekil 5.16: Kaynak gerilimleri ve kaynak akımları harmonik dağılımları. ... 122
viii TABLOLAR DİZİNİ
Tablo 2.1: Üç fazlı tristörlü doğrultucu parametreleri. ... 23
Tablo 2.2: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak yapılacak olan kompanzasyon tipine göre gerekli güç bileşenleri. ... 32
Tablo 2.3: Senkron referans yapı kullanılarak yapılacak olan kompanzasyon tipine göre gerekli akım bileşenleri. ... 44
Tablo 3.1: Anahtarlama durumlarına göre faz-nötr ve fazlar arası gerilimler. ... 64
Tablo 3.2: Sistem parametreleri. ... 72
Tablo 3.3: Paralel aktif güç filtresi laboratuar prototipi bileşenleri. ... 77
Tablo 3.4: Üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat ve kaynak akımı THD miktarları. 81 Tablo 4.1: Paralel aktif güç filtresinin kaynak akımı ölçüm yöntemi ile kontrol edilmesi durumunda üç fazlı köprü diyotlu doğrultucu hat ve kaynak akımı THD miktarları. ... 97
Tablo 5.1: Histerisiz bant PWM ve çift histerisiz bant PWM yöntemleri simülasyon sonuçları. ... 109
Tablo 5.2: Histerisiz bant PWM ve çift histerisiz bant PWM yöntemleri deney sonuçları. ... 114
Tablo 5.3: Kaynak akımı ölçülerek kontrol edilen paralel aktif güç filtresinde histerisiz bant PWM ve çift histerisiz bant PWM yöntemleri simülasyon sonuçları. ... 115
Tablo 5.4: Kaynak akımı ölçülerek kontrol edilen paralel aktif güç filtresinde histerisiz bant PWM ve çift histerisiz bant PWM yöntemleri deney sonuçları. ... 122
ix SİMGELER
C : Dönüşüm matrisi
CDA : Aktif güç filtresi DA bara kondansatörü (F)
Cyük : Diyotlu doğrultucu DA bara kondansatörü (F)
f : Frekans (Hz)
G(s) : Transfer fonksiyonu
Ih : Akımın h. harmonik bileşeni (A)
ia : “a” fazı akımı (A)
ib : “b” fazı akımı (A)
ic : “c” fazı akımı (A)
id : “d” ekseni akımı (A)
iDA : DA bara akımı (A)
if : Filtre akımı (A)
ifa : “a” fazı filtre akımı (A)
ifa* : “a” fazı referans filtre akımı (A)
ifb : “b” fazı filtre akımı (A)
ifb* : “b” fazı referans filtre akımı (A)
ifc : “c” fazı filtre akımı (A)
ifc* : “c” fazı referans filtre akımı (A)
: Referans filtre akımı “d” ekseni bileşeni (A) : Referans filtre akımı “q” ekseni bileşeni (A) ifα* : α ekseni referans filtre akımı (A)
ifβ* : β ekseni referans filtre akımı (A)
ihata : Hata akımı (A)
ik : Kaynak akımı (A)
ikh : Kaynak akımı harmonik bileşenleri (A)
ik* : Referans kaynak akımı (A)
: “a” fazı referans kaynak akımı (A) : “b” fazı referans kaynak akımı (A) : “c” fazı referans kaynak akımı (A) : “d” ekseni kaynak akımı DA bileşeni (A) : “d” ekseni referans kaynak akımı (A) : “q” ekseni referans kaynak akımı (A) : α ekseni referans kaynak akımı (A) : β ekseni referans kaynak akımı (A) iq : “q” ekseni akımı (A)
iy : Tristörlü/diyotlu doğrultucu (doğrusal olmayan yük) hat akımı (A)
iy0 : Harmonik akım kaynağı (A)
* fd i ~ * fq i ~ kd i * kd i * kq i * ka i * kb i * kc i * kα i * kβ i
x
iya : Doğrusal olmayan yükün “a” fazı hat akımı (A)
iyb : Doğrusal olmayan yükün “b” fazı hat akımı (A)
iyc : Doğrusal olmayan yükün “c” fazı hat akımı (A)
iyd : Doğrusal olmayan yük hat akımı “d” ekseni bileşeni (A)
: Doğrusal olmayan yük hat akımı “d” ekseni DA bileşeni (A) : Doğrusal olmayan yük hat akımı “d” ekseni AA bileşeni (A) iyh : Doğrusal olmayan yük hat akımı harmonik bileşenleri (A)
iyq : Doğrusal olmayan yük hat akımı “q” ekseni bileşeni (A)
: Doğrusal olmayan yük hat akımı “q” ekseni DA bileşeni (A) : Doğrusal olmayan yük hat akımı “q” ekseni AA bileşeni (A) iα : Akımın α ekseni bileşeni (A)
iβ : Akımın β ekseni bileşeni (A)
LAA : AA tarafı endüktansı (H) LDA : DA bara endüktansı (H) Lf : Filtre endüktansı (H) p : Anlık güç (W) py : Anlık yük gücü (W) : Anlık gücün DA bileşeni (W) : Anlık gücün AA bileşeni (W)
: Referans filtre anlık gücü AA bileşeni (W) : Referans kaynak gücü (W)
: Anlık yük gücü DA bileşeni (W) : Anlık yük gücü AA bileşeni (W)
Q : İmajiner güç (IVA)
: İmajiner gücün DA bileşeni (VAr) : İmajiner gücün AA bileşeni (IVA)
: Referans filtre imajiner gücü AA bileşeni (IVA) : Referans filtre imajiner gücü AA bileşeni (IVA) : Referans kaynak imajiner gücü (IVA)
qy : Yük imajiner gücü (IVA)
: Yük imajiner gücünün DA bileşeni (VAr) : Yük imajiner gücünün AA bileşeni (IVA) Ryük : DA bara yük direnci (Ω)
S1-S6 : Güç elektroniği anahtarları
t : Zaman (s)
T : Dönüşüm matrisi
va : “a” fazı gerilimi (V)
vb : “b” fazı gerilimi (V)
vc : “c” fazı gerilimi (V) DA
v~ : DA barada istenilen gerilim dalgalanması (V) VDA : DA bara gerilimi (V)
VDA* : Referans DA bara gerilimi (V)
vfa : “a” fazı filtre gerilim (V)
yd i yd i ~ yq i yq i ~ p p ~ * f p ~ y p y p ~ q q ~ * f q ~ * f q * k p y q y q ~ * k q
xi vfb : “b” fazı filtre gerilimi (V)
vfc : “c” fazı filtre gerilimi (V)
Vf-f : Fazlar arası gerilim (V)
Vh : Gerilimin h. harmonik bileşeni (V)
Vk : Kaynak gerilimi (V)
Vkh : Kaynak gerilimi harmonik bileşeni (V)
vref : Referans gerilim (V)
Vy0 : Harmonik gerilim kaynağı (V)
Vyh : Yük gerilimi harmonik bileşeni (V)
vα : Gerilimin α ekseni bileşeni (V)
vβ : Gerilimin β ekseni bileşeni (V)
Zk : Şebeke empedansı (Ω)
Zy : Yük empedansı (Ω)
α : Tetikleme açısı (derece) ω : Açısal hız (rad/s)
ωh : Harmonik bileşenlerin açısal hızı (rad/s)
AA : Alternatif akım AGF : Alçak geçiren filtre
DA : Doğru akım
DSP : Digital Signal Processing HB : Histerisiz bant
IEC : International Electrotechnical Commission IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers IGBT : Integrated Gate Bipolar Transistor
PLL : Faz kilitlemeli çevrim (Phase Locked Loop) PWM : Darbe genişlik ayarı (Pulse width modulation) THD : Toplam harmonik bozulum
THDI : Akım toplam harmonik bozulumu
THDV : Gerilim toplam harmonik bozulumu
xii
PARALEL AKTİF GÜÇ FİLTRESİ İÇİN YENİ BİR DENETİM YÖNTEMİNİN GELİŞTİRİLMESİ VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
Murat KALE
Anahtar Kelimeler: Harmonikler, Paralel Aktif Güç Filtreleri, Histerisiz Bant PWM Özet: Güç elektroniği elemanları içeren yüklerin hızla artması, beraberinde güç kalitesi problemlerini getirmektedir. Şebekenin ve sistemdeki yüklerin, doğrusal olmayan yükler tarafından üretilen harmoniklerin olumsuz etkilerinden mümkün olduğu kadar az zarar görmesini sağlamak ve tüketiciye daha kaliteli enerji verebilmek için harmoniklerin standartlarla belirlenen seviyenin altında tutulması gerekmektedir. Kullanılan pasif güç filtreleri değişen yük profili karşısında yetersiz kalmaktadır. Pasif filtrelerin bu yetersizlikleri karşısında aktif güç filtreleri geliştirilmiştir.
Bu çalışmada, üç fazlı üç telli doğrusal olmayan yüklerin (doğrultucuların) ürettiği harmonik akım ve reaktif gücün kompanzasyonu için kullanılan paralel aktif güç filtresi incelenmektedir. Paralel aktif güç filtresi uygulamalarında evirici çıkış akımı kontrol edilmektedir. Anahtarlama sinyallerinin elde edilmesinde, bunu en kolay ve etkin olarak yapan yöntem histerisiz bant PWM olduğu için paralel aktif güç filtresi uygulamalarında daha çok bu anahtarlama yöntemi tercih edilmektedir.
Bu çalışmada, anahtarlama sinyallerinin elde edilmesinde çift histerisiz bant PWM yöntemi önerilmektedir. Bu yöntemin ve geleneksel histerisiz bant PWM yönteminin deney çalışmaları yapılmıştır. Deney çalışmalarında 8 KW’lık üç fazlı diyotlu doğrultucu kullanılmıştır. Deney sonuçlarına göre önerilen yöntem kullanıldığında güç devresi kayıplarının %30,27 daha az çıktığı görülmektedir.
xiii
DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION OF A NEW CONTROL TECHNIQUE FOR PARALLEL ACTIVE POWER FILTER
Murat KALE
Keywords: Harmonics, Parallel Active Power Filters, Hysteresis Band PWM
Abstract: The rapid increase of the loads including power electronics components causes power quality problems. Harmonics are required to keep below the significant level determined by standards to provide grid and the loads in the system are affected as little as possible from the negative effects of harmonics produced by non-linear loads. Used passive power filters are insufficient for changing load profile. Due to these insufficiencies of passive filter, active power filter has been developed.
In this study, the parallel active power filter used for compensation of harmonic current and reactive power produced by three phase three wire nonlinear loads (rectifiers) is inquired. In the implementation of parallel active power filter inverter output current is controlled. Since, in obtaining switching signals, the technique which makes this easily and effectively is hysteresis band PWM. This switching technique is mostly preferred for implementations of parallel active power filter.
In this study, double hysteresis band PWM technique is proposed for obtaining switching signals. The experimental studies of this technique and conventional hysteresis band PWM technique are carried out. In experimental studies, 8 KW three phase diode rectifier is used. According to these experimental results, power circuit losses are seen that it is %30,27 less when the proposed technique is used.
1 1. GİRİŞ
Yüksek verimleri ve kontrol kolaylığından dolayı kullanımı artan statik güç çeviricileri, enerji dağıtım sistemlerinde önemli güç kalitesi sorunlarına yol açmaktadır. Bu tip güç çeviricileri endüstrideki büyük güçlü ayarlanabilir hız sürücülerinden, büro ve evlerdeki bilgisayarlar, yazıcılar, televizyonlar ve elektronik balastlı flüoresanlar gibi küçük güçlü uygulamalara kadar çok geniş bir kullanım alanına sahiptir.
Elektriğin yaygın olarak kullanılmaya başlamasından günümüze kadar yük profili önemli ölçüde değişmiştir. Dolayısıyla güç kalitesi problemleri de giderek artmıştır. Önceleri reaktif güç çeken yükler ve doyumda çalışan yükler dağıtım sitemlerinde güç kalitesi sorunlarına yol açarken günümüzde bunlarla birlikte statik güç çeviricileri de güç kalitesi problemlerini arttırmaktadır. Günümüzde kullanılan elektronik cihazlar hem güç kalitesi problemlerine yol açmaktadır hem de bu cihazların sorunsuz çalışabilmeleri için bu cihazlara sağlanan gücün kaliteli olması gerekmektedir.
Tristörlü veya diyotlu doğrultucu içeren yükler, şebeke gerilimi sinüsoidal olsa bile şebekeden önemli miktarda harmonik akımlar çekmektedir. Bu harmonik akımlar sistem empedansında harmonik gerilim düşümlerine sebep olmaktadır. Dolayısıyla ortak bağlantı noktasında gerilim bozulumlarına yol açmaktadır. Gerilimdeki bu bozulum aynı dağıtım seviyesindeki diğer alıcıları da etkilemektedir [1].
Akım veya gerilimin ne kadar harmoniğe sahip olduğunu toplam harmonik bozulum (Total Harmonic Distortion, THD) göstermektedir. Gerilimdeki THD miktarı Denklem 1.1 kullanılarak bulunur.
2 100 % 2 2
V V THD h h V (1.1)V1 gerilimin temel bileşeninin etkin değeri, Vh h. harmonik bileşenin etkin değeridir.
Aynı şekilde akımdaki THD miktarı Denklem 1.2 kullanılarak bulunur.
100 % 2 2
I I THD h h I (1.2)I1 akımın temel bileşeninin etkin değeri, Ih h. harmonik bileşenin etkin değeridir.
Üç fazlı bir sistemde fazör vektörlerin dönüşü (akım veya gerilim vektörleri) Şekil 1.1 a’daki gibi ise bu sıralama pozitif sıra olarak adlandırılır. “x” ekseninden önce A fazı geçmekte, daha sonra sırası ile B ve C fazları geçmektedir. Fazör vektörlerin dönüşü Şekil 1.1 b’deki gibi ise bu sıralama negatif sıra olarak adlandırılır. A fazını sırası ile C ve B fazları takip ekmektedir. Fazör vektörler arasında bir faz farkı yoksa Şekil 1.1. c’deki gibi ise bu sıralama sıfır sıra olarak adlandırılır [2].
(a) (b) (c)
Şekil 1.1: Pozitif sıralı bileşenler, negatif sıralı bileşenler ve sıfır sıralı bileşenler. Şekil 1.2’de üç fazlı bir sistemde temel bileşenler, ikinci harmonik bileşenler ve üçüncü harmonik bileşenler görülmektedir. Temel bileşenin A, B ve C fazları sırası ile pozitif tepe değere ulaşmaktadır. Bu sıralama pozitif sıralama olarak kabul edilir. İkinci harmonik incelendiğinde A, C ve B fazları sırası ile pozitif tepe değere ulaşmaktadır. Bu sıralamada B ve C fazları yer değiştirdiği için negatif sıralama olarak kabul edilir. Üçüncü harmonik incelendiğinde her faz aynı anda pozitif tepe
vc va vb ωt ωt vb va vc ωt va= vb= vc
3
değere ulaşmaktadır. Üçüncü harmonikler eşzamanlı olduğu için faz sırası yoktur. Bu yüzden üçüncü harmonik sıfır sıralı olarak adlandırılır. Aynı şekilde diğer harmoniklere de bakıldığında dördüncü harmonik pozitif sıralı, beşinci harmonik negatif sıralı, altıncı harmonik sıfır sıralıdır. Bu şekilde diğer harmoniklerin sıraları da bulunabilir.
Şekil 1.2’de her bileşenin kendi arasındaki toplamı da gösterilmektedir. Buna göre pozitif ve negatif sıralı bileşenler arasında 120° faz farkı olduğu için toplamı sıfırdır; yani dengeli sistemlerde nötr hattında görülmemektedir. Sıfır sıralı bileşenler arasında faz farkı olmadığı için nötr hattında üç kat büyük olarak görülmektedir.
(a) (b) (c)
Şekil 1.2: Temel bileşenler (pozitif sıralı bileşenler), ikinci harmonikler (negatif sıralı bileşenler) ve üçüncü harmonikler (sıfır sıralı bileşenler).
Doyum bölgesinde çalışan elektrik makineleri klasik harmonik kaynaklardır. Bu cihazlar baskın olarak 3. harmoniği üretir. Güç elektroniği elemanları içeren cihazlar (statik güç çeviricileri) uygulama kolaylığı, yüksek verimleri ve düşük maliyetlerinden dolayı hızla çoğalmaktadır. Ayrıca düşük gerilim uygulamalarından yüksek gerilim uygulamalarına kadar bütün güç seviyelerinde kullanılmaktadır. Bu
0 0.01 0.02 -1 0 1 0 0.01 0.02 -1 0 1 0 0.01 0.02 -1 0 1 0 0.01 0.02 -1 0 1 0 0.01 0.02 -1 0 1 0 0.01 0.02 -1 0 1 0 0.01 0.02 -1 0 1 0 0.01 0.02 -1 0 1 0 0.01 0.02 -1 0 1 0 0.01 0.02 -1 0 1 0 0.01 0.02 -1 0 1 0 0.01 0.02 -4 -2 0 2 4 A fazı B fazı Toplam C fazı
4
nedenle, statik güç çeviricilerinin ürettiği harmonikler önemli bir problem haline gelmektedir [3]. Statik çeviriciler tarafından üretilen harmonik akımların dağılımı bu çeviricilerin özelliklerine bağlıdır. Evlerde ve işyerlerinde çoğunlukla alçak gerilimde kullanılan tek fazlı statik çeviricilerde 3 ve 3’ün katları harmonikler daha baskındır.
İdeal olarak, üç fazlı dört telli elektrik dağıtım sisteminde doğrusal yükler kullanıldığında ve yükler dengeli olarak dağıtıldığında, her faz akımı arasında 120° faz farkı olduğu için nötr hattı akımı sıfırdır. Tek fazlı doğrusal olmayan yüklerin bağlı olduğu sistemlerde, bu yükler dengeli dağıtılmış ise nötr hattında sadece 3 ve 3’ün katları harmonik akımlar (sıfır sıralı akımlar) görülür. Bu akımların büyüklükleri bir faza ait üç ve üçün katı harmonik akımların üç katıdır.
Üç fazlı doğrusal olmayan yüklerde ise bir fazlı yüklerde baskın olan 3 ve 3’ün katı harmoniklerin yerini 5, 7 ve 11 gibi yüksek frekanslı harmonikler almaktadır. Günümüzün en yaygın harmonik kaynakları olan statik güç çeviricileri, harmonik akım kaynağı ve harmonik gerilim kaynağı olarak sınıflandırılır [4].
Tristörlü doğrultucu ve DA barada akım dalgalanmalarını azaltmak için bir bobinden oluşan çeviriciler genel harmonik akım kaynakları olarak bilinir [4]. Şekil 1.3’te görülen akım kaynağı çevirici, tristörlü doğrultucu ve doğru akım (DA) barada akım dalgalanmalarını azaltmak için kullanılan bir bobinden (LDA) oluşmaktadır. Şekil
1.4’te kaynak gerilimi dalga şekli, tristörlü doğrultucu hat akımı dalga şekli ve harmonik dağılımı görülmektedir. Denklem 1.3’te görüldüğü gibi harmonik frekanslarda (ωh) tristörlü doğrultucunun DA bara empedansı alternatif akım (AA)
tarafındaki empedanstan çok büyüktür. Harmonik akımlar AA tarafa daha az bağlı oldukları için, bu tip harmonik kaynaklar akım kaynağı gibi davranırlar ve Şekil 1.3’ deki gibi modellenir [4].
AA h DA h yük L L R2 (
)2
(1.3)5
Şekil 1.3: Üç fazlı tristörlü doğrultucu ve tek faz eşdeğer devresi.
Diyotlu doğrultucu ve DA barada gerilim dalgalanmalarını azaltmak için kullanılan bir kondansatörden oluşan çeviriciler, genel harmonik gerilim kaynakları olarak bilinir [4]. Şekil 1.5’te üç fazlı diyotlu doğrultucu ve tek faz eşdeğer devresi görülmektedir. Şekil 1.6’da diyotlu doğrultucunun faz-nötr ve fazlar arası gerilimlerinin dalga şekilleri, hat akımı dalga şekli ve hat akımı harmonik dağılımı görülmektedir. Denklem 1.4’te, harmonik frekanslarda diyotlu doğrultucunun DA bara empedansı AA taraftaki empedanstan daha büyük olduğu görülmektedir. Bu yüzden kaynaktan çekilen harmonik akımlar, çeviricinin uçlarındaki gerilimin dalga şeklini harmonik akım kaynaklarından daha çok bozmaktadır. Dolayısıyla gerilim kaynağı çeviriciler, akım kaynağından çok gerilim kaynağı gibi davranır ve harmonik gerilim kaynağı olarak Şekil 1.5’teki gibi modellenir [4].
AA h yük h L C 1 (1.4) LAA iyh Vk + Harmonik Akım Kaynağı AA Kaynağı LDA Ryük LAA i y Vk
6
Şekil 1.4: Harmonik akım kaynağı yükün kaynak gerilimi, hat akımı dalga şekli ve harmonik dağılımı.
Doğrusal olmayan yükler tarafından üretilen harmonikler, güç sistemi elemanları ve yükler üzerinde istenmeyen etkiler yapar. Harmonikler motorlar, jeneratörler, transformatörler ve güç kabloları üzerinde ilave kayıplara neden olurlar.
Harmonik akım ve gerilimlerin dönen makinelere temel etkisi, harmonik frekanslarda bakır ve demir kayıplarından dolayı oluşan sıcaklık artışıdır. Böylece harmonikler makine verimini etkiler. Türbin-jeneratör veya motor-yük sistemlerinde, pozitif sıralı ve negatif sıralı harmonikler moment salınımlarına dolayısıyla mekaniki salınımlara sebep olmaktadır [5].
Harmoniklerin transformatörlere etkisi iki şekilde incelenebilir; akım harmonikleri bakır kayıplarının artmasına, gerilim harmonikleri ise demir kayıplarının artmasına sebep olur [5].
7
Şekil 1.5: Üç fazlı diyotlu doğrultucu ve tek faz eşdeğer devresi. İletkenlerden harmonik akımların akması, iletkenlerde ilave I2
R kayıplarına sebep olur. Deri etkisinden dolayı her bir harmonik frekanstaki iletkenin etkin direnci değişmektedir. Dolayısıyla harmonik akımlardan dolayı iletkende meydana gelen kayıplar Denklem 1.5’teki gibi hesaplanmaktadır.
n i i i kayı I R P 1 2 * (1.5)Denklem 1.5’te i harmonik sırayı, I ve R ise sırasıyla i. harmonik sıradaki iletken içinden geçen akımın etkin değerini ve i. harmonik sıradaki iletkenin AA direncini göstermektedir. Ryük Cyük LAA i y Vk iyh Vyh Vk LAA + Harmonik Gerilim Kaynağı AA Kaynağı
8
Şekil 1.6: Diyotlu doğrultucu faz-nötr ve fazlar arası gerilimi, hat akımı ve harmonik dağılımı.
Güç elektroniği ekipmanları harmonik bozulmadan dolayı yanlış çalışabilir. Bu ekipmanlar tetikleme zamanını belirlemek için gerilim sinyalinin sıfır geçişini kullanmaktadır. Eğer sıfır geçişinde harmoniklerden dolayı bir kayma olursa bu tip cihazlar yanlış çalışır [5].
9
Frekansın artmasıyla birlikte kondansatörün empedansı azalır. Yani yüksek frekanslı akımlarda, kondansatörün direnci çok küçüleceğinden, sistemdeki yüksek frekanslı harmonik akımları kendi üzerine çeker. Bu durum, kondansatörün aşırı yüklenmesine ve dolayısıyla sıcaklığının artmasına sebep olur ve kondansatörün ömrü azalır [5,6]. Gerilimdeki harmoniklerden dolayı kondansatörün dielektriği zarar görmektedir.
Şebekenin ve sistemdeki diğer yüklerin, harmoniklerin olumsuz etkilerinden mümkün olduğu kadar az zarar görmesini sağlamak ve tüketiciye daha kaliteli enerji verebilmek için harmoniklerin standartlarla belirlenen seviyenin altında tutulması gerekmektedir. Bu amaçla harmonik standartlar oluşturulmuştur. IEEE 519-1992 ve IEC 61000-3-2 ve IEC 61000-3-4 standartları, elektrik şirketleri için şebeke bara gerilimlerini ve müşteriler için ise harmonik akımlarla ilgili sınırlamaları vermektedir [7].
Pasif güç filtreleri ekonomik olmasından dolayı günümüzde halen kullanılmaktadır. Her harmonik frekansındaki akımları kapsayacak şekilde filtreleme yapılmak istenirse, her harmonik frekans için bir pasif güç filtresi kullanılmalıdır. Yük profilinin değişmesi ve yeni yüklerin harmonik dağılımının çok geniş olmasından dolayı pasif güç filtreleri gibi geleneksel yöntemler yetersiz hale gelmektedir.
Harmoniklerin azaltılmasında kullanılan pasif güç filtrelerinin istenmeyen özellikleri ve yetersizliklerinden dolayı çoğunlukla güç elektroniği elemanlarının ürettiği harmonikler yine güç elektroniği elemanları kullanılarak azaltılmaktadır. Güç elektroniği elemanları kullanarak harmonikleri azaltan ve güç katsayısını düzelten bu cihazlara aktif güç filtresi adı verilir. Aktif güç filtreleri, pasif filtrelerin aksine oldukça geniş harmonik frekansları kapsamaktadır. Aktif güç filtreleri, harmonik akımla reaktif güç kompanzasyonunun birlikte yapılmasıyla hem pasif filtreleri hem de geleneksel kompanzasyon rölelerini devre dışı bırakmaktadır. Aktif güç filtreleri, doğrusal olmayan yükün ürettiği akım ve/veya kaynak geriliminin harmoniklerini yok etmek için güç elektroniği elemanları kullanarak, yükün harmonik akım ve/veya gerilimine ters fazda fakat eşit büyüklükte harmonik akım ve /veya gerilim üreten cihazlardır. Aktif güç filtreleri, harmonik akım kompanzasyonunun yanında reaktif güç ve nötr akımı kompanzasyonu için de kullanılmaktadır.
10
1976 yılında Gyugyi tarafından ileri sürülen paralel aktif güç filtresinin temel konfigürasyonu Şekil 1.7’de gösterildiği gibidir [8]. Paralel aktif güç filtreleri doğrusal olmayan yüke paralel bağlanarak yük akımının harmoniklerini yok etmek ve reaktif güç kompanzasyonu yapmak için sisteme, yük akımının harmonik ve reaktif bileşenlerine ters fazda ve eşit büyüklükte akımlar verir. Böylece kaynaktan çekilen akımların dalga şeklinin sinüsoidal olması sağlanır [9]. Paralel aktif güç filtreleri, DA barada bobin olan tristörlü/diyotlu doğrultucular gibi, harmonik akım kaynaklarının ürettiği harmonikleri yok etmek için kullanılır. Şekil 1.7’de görülen paralel aktif güç filtresi akım harmonikleri ve reaktif güç kompanzasyonunu yapmak, dengesiz akımları dengelemek ve sistemde var olan pasif filtreler ile kaynak empedansı arasındaki rezonansı söndürmek için kullanılır.
Gyugyi tarafından ileri sürülen seri aktif güç filtresinin sistem konfigürasyonu Şekil 1.8’de verilmiştir [8]. Şekil 1.8’de görülen seri aktif güç filtresi, gerilim harmonikleri ve yük gerilimini dengelemek için kullanılır. Seri aktif güç filtreleri, DA barada kondansatör olan diyotlu doğrultucular gibi harmonik gerilim kaynağı yüklerle kaynak arasına transformatör aracılığı ile seri bağlanarak kullanılır. Seri aktif güç filtreleri, kaynak ve yük arasına seri bağlandığı için harmonik akımlara karşı yüksek empedans gösterir. Dolayısıyla kaynakla yük arasında harmonik izolasyon oluşur [4].
Şekil 1.7: Paralel aktif güç filtresi.
Paralel Aktif Güç Filtresi VDA + - CDA + - Kontrollü Doğrultucu LDA Ryük iy ik if Vk
11
Şekil 1.8: Seri aktif güç filtresi.
Hibrit aktif-pasif güç filtresi sistemleri farklı konfigürasyonlarla bağlanmış aktif ve pasif filtreleri içerir. Şekil 1.9, Şekil 1.10 ve Şekil 1.11’de üç farklı tipte hibrit aktif-pasif güç filtresi görülmektedir. Aktif ve aktif-pasif güç filtrelerinin beraber kullanılmasındaki amaç başlangıç maliyetini azaltmak ve verimi yükseltmektir [1]. Hibrit filtrelerde hem aktif filtrenin hem de pasif filtrenin avantajları birleştirilmiştir. Hibrit filtreler sadece harmonik kompanzasyonu için değil aynı zamanda kaynakla yük arasında harmonik izolasyon, gerilim regülasyonu ve dengesizlikler için de kullanılmaktadır [1].
Şekil 1.9’daki devre kombinasyonunda, paralel aktif güç filtresi ile 5. ve 7. harmoniklerin kompanzasyonu ve kaynak ile pasif filtre arasında harmonik rezonans söndürme yapılırken, paralel pasif güç filtresi ile yüksek dereceli harmoniklerin kompanzasyonu yapılır; dolayısıyla paralel aktif güç filtresinin anahtarlama kayıpları azaltılır [9].
Şekil 1.10 ve Şekil 1.11’te seri aktif güç filtresi ve paralel pasif güç filtresi kombinasyonları görülmektedir. Seri aktif güç filtresi, paralel pasif güç filtresinin kaynak empedansından etkilenme ve rezonans gibi problemlerini azaltmak ve paralel pasif güç filtresinin performansını arttırmak için kullanılır [9].
Seri Aktif Güç Filtresi VDA + - CDA + Diyotlu Doğrultucu Ryük Vf Vk Cyük - -
12
Şekil 1.9: Paralel aktif, paralel pasif güç filtresi.
Şekil 1.10: Seri aktif paralel pasif güç filtresi.
Şekil 1.12’ de paralel ve seri aktif güç filtrelerinin beraber kullanıldığı birleşik güç kalitesi düzenleyicisi sistemi görülmektedir. Birleşik güç kalitesi düzenleyicisi, bir DA enerji depolama elemanı kondansatöre bağlı iki adet gerilim kaynağı evirici devresinden oluşmaktadır. Bu eviricilerden biri AA hattına seri bağlı, diğeri ise paralel bağlıdır. Bu sistem harmonik akım kaynağı tipi yükler için ideal bir filtreleme sistemidir [9]. Seri aktif güç filtresi, yüklerle güç sistemi arasında harmonik izolasyon sağlayarak, kaynak tarafından gelen harmonik akımlara karşı
Paralel Aktif Güç Filtresi VDA + - CDA + - Kontrollü Doğrultucu LDA Ryük Vk Paralel Pasif Güç Filtresi Kontrollü Doğrultucu Seri Aktif Güç Filtresi + - CDA Vf Paralel Pasif Güç Filtresi Vk + - LDA Ryük
13
blok oluşturur. Ayrıca kaynak gerilimi harmonikli ve dengesiz ise yük üzerine sabit ve saf sinüsoidal gerilim sağlar [9]. Paralel aktif güç filtresi, harmonik akım ve reaktif güç kompanzasyonu ile her iki aktif filtre arasındaki DA bara geriliminin regülasyonunu yapar [1].
Şekil 1.11: Seri aktif paralel pasif güç filtresi.
Şekil 1.12: Birleşik güç kalitesi düzenleyicisi.
Aktif güç filtrelerinde, gerilim beslemeli PWM evirici ve akım beslemeli PWM evirici olmak üzere iki tip güç devresi kullanılmaktadır. Şekil 1.13 ve Şekil 1.14’te paralel aktif güç filtrelerinde gösterilen bu güç devreleri, seri aktif güç filtrelerinde de kullanılmaktadır. Aktif güç filtrelerinin güç devresi AA motor sürücülerinin güç devresine benzemektedir. AA motor sürücülerinden farkı, aktif güç filtrelerinin güç devresi doğrusal olmayan akım ve gerilim kaynağı olarak davranmasıdır [1].
Seri Aktif Güç Filtresi + - CDA Vf + - Paralel Aktif Güç Filtresi if Vy ik Vk Yükler Seri Aktif Güç Filtresi + - CDA Paralel Pasif Güç Filtresi Vk + - Kontrollü Doğrultucu LDA Ryük
14
Şekil 1.13’te akım beslemeli PWM eviricili aktif güç filtresi görülmektedir. Bu evirici, doğrusal olmayan yükün harmonik akım ve reaktif güç kompanzasyonunu yaparken doğrusal olmayan akım kaynağı gibi davranır [10].
Şekil 1.13: Akım beslemeli PWM eviricili paralel aktif güç filtresi.
Şekil 1.14’te gerilim beslemeli PWM eviricili aktif güç filtresi görülmektedir. Gerilim beslemeli PWM eviricinin verimi, akım beslemeli PWM eviriciye göre daha yüksek ve kuruluş maliyeti daha düşük olduğu için aktif güç filtresi uygulamalarında daha çok tercih edilir [11].
Şekil 1.14: Gerilim beslemeli PWM eviricili paralel aktif güç filtresi.
Paralel Aktif Güç Filtresi VDA + - CDA + - Kontrollü Doğrultucu LDA Ryük iy ik if Vk Paralel Aktif Güç Filtresi iDA + - LFDA + - Kontrollü Doğrultucu LDA Ryük iy ik if Vk
15
Aktif güç filtresi kontrolünde kullanılan anlık reaktif güç algoritmasında, üç fazlı akım ve gerilimler iki fazlı α-β durağan referans yapıya çevrilerek gerçek ve sanal güçler hesaplanır. Hesaplanan bu güçler doğru ve dalgalı bileşenler içerir. Aktif ve sanal gücün dalgalı bileşenleri harmoniklere karşılık gelirken, sanal gücün doğru bileşeni ise reaktif güce karşılık gelmektedir. Dolayısıyla kompanzasyon sinyalleri bu bileşenlerden elde edilir. Bu algoritmada üç fazlı sistemde gerilimler dengeli ve harmoniksiz olmalıdır [12].
Senkron referans yapı tabanlı kontrolde, ölçülen üç fazlı akımlar gerilimle senkron dönen referans yapıya çevrilir. Senkron referans yapıda akım AA ve DA bileşenlerine sahiptir. Akımın DA bileşeni a-b-c sisteminde temel bileşene karşılık gelmektedir. AA bileşeni ise a-b-c sisteminde akımın harmonik bileşenlerine karşılık gelmektedir [13].
Frekans domeni kontrolünde, bozuk gerilim veya akımın Fourier analizi yapılarak aktif güç filtresi kontrol edilir. Fourier dönüşümü kullanılarak harmonikli sinyalin harmonik bileşenleri elde edilir ve kompansazyon sinyallerine dönüştürülür. Frekans domeni yaklaşımı hem üç fazlı hem de tek fazlı sistemler için uygundur. Bu tekniğin en büyük dezavantajı, DSP işlem yükünün zaman domeni tekniklerine göre fazla olması ve zaman gecikmesinin olmasıdır [10].
Aşağıda tez konusu ile ilgili olarak yapılmış olan çalışmalar tarih sırasına göre verilmektedir:
[8]’de PWM evirici içeren aktif güç filtresi aileleri sunulmuştur. Bu çalışmada, aktif güç filtresi yaklaşımının değişik devre uygulamalarında kullanımı ve kontrol prensipleri açıklanmaktadır.
[14]’te gerilim ve akım harmoniklerine sahip sistemlerde, sürekli ve geçici durumlarda da geçerli olan anlık reaktif güç teorisini kullanan yeni reaktif güç kompanzasyon sistemi sunulmuştur.
16
[15]’te büyük doğrusal olmayan yüklerin harmonik ve reaktif güç kompanzasyonu için şönt pasif ve şönt aktif güç filtresi önerilmiştir.
[16]’da seri aktif güç filtresinin güç oranını düşürmek için şönt pasif ve seri aktif güç filtresi kombinasyonu önerilmiştir.
[17]’de üç fazlı dört telli sistemlerde dengesiz ve harmonikli durumlarda anlık reaktif güç teorisi ve simetrik bileşenler teorisi ile ilgili genel denklemleri verilmektedir. Dengesiz güç sistemlerinde 3 faz 4 telli sistemler için paralel ve seri aktif güç filtreleri kontrol algoritmaları geliştirilmiştir.
[18]’de doğrusal olmayan yükler içeren sistemin reaktif güç ve harmonik akım kompanzasyonu paralel aktif güç filtresi ile gerçekleştirilmiştir. Aktif filtrenin kontrolü kayan kipli kontrol (sliding mode control) kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
[19]’da IEEE 519 standardını karşılayabilmek için 50MVA’e kadar olan büyük doğrusal olmayan yüklerin, harmonik kompanzasyonunda kullanılan hibrit aktif filtreler için yeni kontrol yöntemi sunulmuştur.
[20]’de sabit anahtarlama frekansına sahip yeni bir histerisiz bant akım kontrol metodu sunulmuştur.
[21]’de küçük güçlü seri aktif güç filtresinin büyük güçlü diyotlu doğrultucuya entegre edilmiş AC-DC güç çevrim sistemi sunulmuştur. Seri aktif güç filtresinin DA tarafı diyotlu doğrultucunun DA tarafına bağlanmıştır.
[22]’de akım kontrol performansını iyileştiren DSP tabanlı aktif güç filtresi sunulmuştur.
[10]’da harmonik ve reaktif güç kompanzasyonunda kullanılan üç fazlı aktif filtre için referans tepe kaynak akımı kontrol yöntemini önerilmiştir.
17
[23]’te ADSP21020 sayısal işaret işlemci ve ADMC200 kontrol kartı kullanalarak, üç fazlı paralel aktif güç filtresinin kontrolü gerçekleştirilmiştir. Kontrol algoritmasında inverter akımının ölü zaman kontrolü ve uzay vektör PWM kullanılmıştır.
[24]’te ideal olmayan şebeke gerilimi şartlarında üç fazlı üç telli aktif güç filtresi denetimi algoritması sunulmuştur. Dengesiz ve bozuk sinüs gerilimlerde önerilen algoritmanın laboratuar testleri yapılmıştır.
[25]’te yeni bir aktif güç şartlandırıcı sunulmuştur. Bu güç şartlandırıcı kaynak gerilimi varken aktif güç filtresi olarak çalışmakta ve akü şarj etmektedir. Kaynak gerilimi kesildiğinde ise kesintisiz güç kaynağı olarak çalışmaktadır. Hat akımı ölçülmediği için kurulum maliyeti azaltılmıştır.
[26]’da yüksek güçlü doğrusal olmayan yükler için pasif seri ve şönt aktif filtre hibrit yapısı sunulmuştur. Uzay vektör PWM ve ölü zaman kontrol metodu kullanılmaktadır.
[27]’de yapay sinir ağları kullanarak hem referans kompanzasyon akımları belirlenen hem de anahtarlama sinyalleri elde edilen aktif güç filtresi kontrolü sunulmaktadır.
[28]’de Kalman sayısal algoritması kullanılarak aktif güç filtresi kontrolü için sayısal referans akım tahmin metodu sunulmuştur.
[29]’da aktif güç filtresi için seçili harmoniklerin kompanzasyonunda tekrar tabanlı kontrolör önerilmiştir.
[30]’da güç devresinde 81 seviyeli çevirici kullanılmıştır. Her bir faz dört çeviriciden oluşmaktadır. Bütün çeviriciler aynı DA hatta bağladır ve çıkış uçları transformatör vasıtasıyla seri bağlanmıştır. Bu yöntemin avantajı harmonik bozulumun az ve anahtarlama frekansının da çok düşük olmasıdır.
18
[31]’de akım işaretine göre alt ve üst anahtarların birbirinden bağımsız açılıp kapandığı PWM yöntemi önerilmiştir.
[32]’de paralel aktif güç filtreleri için yeni bir kesintili PWM yöntemi önerilmiştir.
Bu tezde, hazırlanan laboratuar prototipinde, öncelikle önerilen yöntemlerin karşılaştırılması için paralel aktif güç filtresi, literatürde var olan anlık reaktif güç teorisi kullanılarak kontrol edilmekte ve deney sonuçları sunulmaktadır. Doğrusal olmayan yük hat akımları ve filtre akımları ölçülerek paralel aktif güç filtresini kontrol etmek yerine, sadece kaynak akımı ölçülerek kontrol edilen paralel aktif güç filtresi simülasyon ve deney sonuçları verilmektedir.
Paralel aktif güç filtresi, güç devresi kayıplarının azaltılması için anahtarlama sinyallerinin elde edilmesinde çift histerisiz bant PWM yöntemi önerilmekte ve simülasyon ve deney sonuçları verilmektedir. Ayrıca, önerilen çift histerisiz bant PWM yöntemi, kaynak akımı ölçülerek kontrol edilen paralel aktif güç filtresinde de uygulanarak simülasyon ve deney sonuçları sunulmaktadır. Elde edilen simülasyon ve deney sonuçlarına göre, önerilen yöntemde hem kaynak akımı THD miktarı hem de güç devresi kayıpları literatürde var olan histerisiz bant PWM yöntemine göre daha az çıkmaktadır.
19
2. ANLIK REAKTİF GÜÇ TEORİSİ VE SENKRON REFERANS YAPI TABANLI REFERANS FİLTRE AKIMLARININ BELİRLENMESİ
Bu bölümde, paralel aktif güç filtresinin referans akımlarının belirlenmesinde kullanılan anlık reaktif güç teorisi ve senkron referans yapı yöntemleri açıklanmaktadır.
2.1. Anlık Reaktif Güç Teorisi
Anlık reaktif güç teorisi, Akagi tarafından 1983 yılında ileri sürülmüştür [33]. Bu teoride anlık reaktif güç, üç fazlı anlık gerilimler ve akımlar kullanılarak hesaplanır. Şekil 2.1’de a-b-c koordinatlarında üç fazlı üç telli sistem görülmektedir. Bu sisteme anlık reaktif güç teorisini uygulamak için, öncelikle Clarke dönüşümü olarak bilinen α-β dönüşümü yapılarak üç fazlı akımlar ve gerilimler iki fazlı durağan referans yapıya çevrilmektedir. a-b-c koordinatlarındaki üç fazlı akım ve gerilim değerlerinin anlık uzay vektörleriyle gösterimi ve bu akım ve gerilimlerin α-β durağan referans yapıdaki karşılıkları Şekil 2.2’de görülmektedir [2] .
Şekil 2.1: Üç fazlı üç telli sistem.
ia ib ic va vb vc Za Zb Zc Za Zb Zc
20
a-b-c koordinatlarda, a, b ve c eksenleri Şekil 2.2’ de görüldüğü gibi aynı düzlem üzerinde ve 2π/3 faz açılarıyla yerleştirilmiştir. Anlık uzay vektörleri va ve ia “a”
ekseni üzerindedir ve büyüklükleri zamana bağlı olarak (+,-) şeklinde değişir. Aynı şekilde vb ve ib “b” ekseninde, vc ve ic “c” ekseni üzerindedir. Bu uzay vektörleri, üç
fazlı üç telli sistemden α-β koordinatlara Denklem 2.1’deki çevrim matrisi kullanılarak Denklem 2.2 ve Denklem 2.3’teki gibi çevrilmektedir [14].
2 / 3 2 / 3 0 2 / 1 2 / 1 1 3 2 C (2.1) c b a v v v C v v (2.2) c b a i i i C i i (2.3)
Şekil 2.2: Üç fazlı üç telli a-b-c koordinatlarından iki fazlı α-β koordinatlarına dönüşüm.
φ vabc iabc a ekseni b ekseni c ekseni va,ia vb,ib vc,ic 2π/3 2π/3 2π/3 φ vabc iabc vα vβ α ekseni β ekseni iα iβ
21
Akım ve gerilimin α-β eksenlerindeki büyüklükleri zamana bağlı olarak (+,-) değişir. Şekil 2.3’te α-β koordinatlarında akım ve gerilim anlık uzay vektörleri görülmektedir.
Üç fazlı devrelerde, a-b-c koordinatlarında ve α-β koordinatlarında anlık gerçek güç Denklem 2.4’teki gibi, anlık sanal güç ise Denklem 2.5’teki gibi ifade edilmektedir.
i v i v i v i v i v p a a b b c c (2.4) i v i v q (2.5)
Şekil 2.3’ te görüldüğü gibi, q vektörü sanal eksen vektörüdür ve sağ el kuralı uygulandığında α-β koordinatlarının olduğu gerçek düzleme diktir. vα, iα’ya ve vβ,
iβ’ya paralel, vα, iβ’ya ve vβ, iα’ya diktir. Anlık gerçek güç “p” ve anlık sanal güç “q”,
Denklem 2.6’daki çevrim matrisi ve Denklem 2.4 ve 2.5 kullanılarak matris formunda Denklem 2.7’deki gibi yazılır.
Şekil 2.3: α-β ekseninde anlık akım ve gerilim uzay vektörleri.
v v v v v (2.6) q iα vα vβ iβ β α gerçek düzlem sanal eksen22
i i v q p (2.7)Denklem 2.7’de vα.iα ve vβ.iβ, aynı eksendeki anlık gerilimle anlık akımın çarpımıyla
tanımlanan anlık güçlerdir. Böylece “p” üç fazlı devrelerde birimi (W) olan gerçek güce karşılık gelmektedir. Diğer yandan vα.iβ ve vβ.iα farklı eksenlerdeki anlık akım
ve gerilimin çarpımıyla tanımlandığı için anlık güç değildir. Bu yüzden “q” geleneksel elektriksel bir büyüklük değildir. “q" nun birimi (Imajiner Volt Amper, IVA) olarak verilmiştir [14].
2.1.1. Doğrusal olmayan yükün güç bileşenlerinin elde edilmesi
Şekil 2.4’teki gibi doğrusal olmayan yüklerin bulunduğu bir sistemde, kaynak gerilimleri sinüsoidal olsa bile Denklem 2.8’de görüldüğü gibi “p” ve “q” güçleri hem DA bileşene hem de AA bileşene sahiptir [34].
q q q p p p ~ ~ (2.8)
Denklem 2.8’deki güçlerin DA bileşenleri ( p ve q ) sırasıyla aktif ve reaktif
güçlere karşılık gelmektedir. AA bileşenler ise harmonik güçlere karşılık gelmektedir. Şekil 2.4’teki üç fazlı tristörlü doğrultucu parametreleri Tablo 2.1’de verilmektedir. Bu parametreler kullanılarak yapılan simülasyon sonucunda tristörlü doğrultucu hat akımı, gerçek ve sanal güçler ve bu güçlerin AA ve DA bileşenleri Şekil 2.5’te görülmektedir.
Denklem 2.7’de hesaplanan güçleri, AA ve DA bileşenlerine ayırmak için yüksek geçiren filtre (YGF) kullanılmaktadır. Bu işlem için Şekil 2.6’da görüldüğü gibi iki tip YGF kullanılmaktadır [35].
23
Şekil 2.4: Üç fazlı tristörlü doğrultucu (harmonik akım kaynağı)
Tablo 2.1: Üç fazlı tristörlü doğrultucu parametreleri.
Şekil 2.6.a’daki YGF sistemi bir alçak geçiren filtre içerir. Şekil 2.7’de kesim frekansı 150 Hz olan 2. derece yüksek geçiren filtre ve yüksek geçiren filtre sistemlerinin Bode diyagramları görülmektedir. Şekil 2.6.a’da gösterilen filtre, daha az faz hatasına sahip olduğundan, gücün DA ve AA bileşenlerini ayırmak için daha çok tercih edilmektedir [35]. Anlık gerçek ve sanal güçlerin DA ve AA bileşenleri birbirinden ayrıldığında Denklem 2.7 ve Denklem 2.8 Denklem 2.9’daki gibi yazılır.
Sistem Parametreleri
Kaynak gerilimi Vk 220 Vrms
Sistem frekansı f 50 Hz Tristörlü Doğrultucu Parametreleri
AA bobin LAA 1 mH DA direnç Ryük 5 Ω DA bobin LDA 30 mH Tetikleme açısı α 30° LDA Ryük LAA LAA LAA iya iyb iyc Vka Vkb Vkc
24
25 (a)
(b)
Şekil 2.6: a) Alçak geçiren filtre içen YGF sistemi. b) Yüksek geçiren filtre.
i i v q q p p ~ ~ (2.9)Şekil 2.7: Alçak geçiren filtre içeren YGF sistemi ve yüksek geçiren filtre Bode diyagramları. Alçak Geçiren Filtre py + -y p y p ~ Yüksek Geçiren Filtre py y p ~ Bode Diyagramı ω [rad/s] Gen lik [ d B ] [d er ec e] Faz [d er ec e]
26
Şekil 2.8 anlık reaktif güç teorisi kullanılarak anlık gerçek ve sanal güçlerin bulunmasını ve bu güçlerden hat akımlarının aktif bileşenlerinin elde edilmesini göstermektedir. Şekil 2.8’de alçak geçiren filtrenin çıkışında anlık gerçek gücün DA bileşeni bulunmaktadır. Denklem 2.10 kullanılarak anlık gerçek gücün DA bileşeninden akımlar hesaplandığında, hat akımlarının αβ eksenindeki aktif bileşenleri elde edilir. αβ eksenindeki bu akımlar, üç fazlı a-b-c sistemine Denklem 2.11 kullanılarak çevrilir. Şekil 2.9’da, Tablo 2.1’de değerleri verilen üç fazlı tristörlü doğrultucu hat akımın aktif bileşeni görülmektedir.
Şekil 2.8: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hat akımlarının aktif bileşenlerinin elde edilmesi.
Şekil 2.9: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hesaplanan hat akımının aktif bileşeni.
0 1 y y y p v i i (2.10) [C] [C] iya iyc iyb va vc vb [vαβ] iyα iyβ β AGF py qy [vαβ]-1 [C]-1 iya* iyc* iyb* y p iyα* iyβ* vα vβ27 * * 1 * * * y y yc yb ya i i C i i i (2.11)
Anlık gerçek ve sanal güçler hesaplandıktan sonra hat akımlarının aktif ve reaktif bileşenlerini bulmak için Şekil 2.10’dan yararlanılır. Alçak geçiren filtre çıkışında aktif ve reaktif güçlere karşılık gelen gerçek ve sanal güçlerin DA bileşenleri bulunmaktadır. Denklem 2.12’ye göre bu güçlerden akımlar hesaplandığında, αβ ekseninde aktif ve reaktif bileşenler içeren hat akımları elde edilir. αβ eksenindeki bu akımlar Denklem 2.11 kullanılarak üç fazlı a-b-c sistemine çevrilir. Şekil 2.11’de Tablo 2.1’de değerleri verilen üç fazlı tristörlü doğrultucunun aktif ve reaktif bileşenlere sahip olan hat akımı görülmektedir.
Şekil 2.10: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hat akımlarının aktif ve reaktif bileşenlerinin elde edilmesi.
Şekil 2.11: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak elde edilen aktif ve reaktif bileşene sahip hat akımı. vα vβ [C] [C] iya iyc iyb va vc vb [vαβ] iyα iyβ AGF py AGF qy [vαβ]-1 [C]-1 iya* iyc* iyb* y p y q iyα* iyβ *
28
y y y y q p v i i 1 * * (2.12)Anlık gerçek ve sanal güçler hesaplandıktan sonra bu güçler YGF’den geçirilirse, bu güçlerin AA bileşenleri elde edilir. Şekil 2.12’de anlık reaktif güç teorisi kullanılarak gerçek ve sanal güçlerin elde edilmesi ve bu güçlerden hat akımlarının harmonik bileşenlerinin elde edilmesi görülmektedir. Şekil 2.13’te Denklem 2.13 ve Denklem 2.11 kullanılarak elde edilen hat akımlarının harmonik bileşenleri görülmektedir.
Şekil 2.12: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hat akımlarının harmonik bileşenlerinin elde edilmesi.
y y y y q p v i i ~ ~ 1 * * (2.13)Şekil 2.13: Anlık reaktif güç teorisi kullanılarak elde edilen hat akımının harmonik bileşenleri. vα vβ [C] [C] iya iyc iyb va vc vb [vαβ] iyα iyβ YGF py YGF qy [vαβ]-1 [C]-1 iya* iyc* iyb* y p ~ y q ~ iyα* iyβ*
29
2.1.2. Referans filtre akımlarının anlık reaktif güç teorisi ile belirlenmesi
Şekil 2.8, Şekil 2.10 ve Şekil 2.12’de anlık reaktif güç teorisi kullanılarak aktif güç, reaktif güç, gerçek güç, sanal güç ve bu güçlere karşılık gelen hat akımı bileşenlerinin elde edilmesi görülmektedir. Paralel aktif güç filtresi kullanılarak sadece harmonik akım kompanzasyonu, sadece reaktif güç kompanzasyonu veya hem harmonik akım hem de reaktif güç kompanzasyonu yapılabilmektedir. Paralel aktif güç filtresi yukarıda sayılan işlemlerden hangisini yapacaksa kontrol algoritması ona göre tasarlanmalı ve uygun referans akımlar hesaplanmalıdır.
Paralel aktif güç filtresi ile sadece harmonik akım kompanzasyonu yapılacaksa, gerçek ve sanal gücün dalgalı bileşenlerinin tersi kullanılarak referans akımlar hesaplanır. Şekil 2.14’te gerçek ve sanal gücün dalgalı bileşeninin elde edilişi ve bu güçlerden referans filtre akımlarının elde edilmesi görülmektedir. Denklem 2.14, gerçek ve sanal gücün dalgalı bileşenlerinin tersi olan referans filtre güçlerinden αβ eksenindeki referans filtre akımlarının elde edilişini göstermektedir. Şekil 2.15’te Tablo 2.1’de değerleri verilen tristörlü doğrultucunun harmonik akım kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hesaplanan referans filtre akımı görülmektedir.
Sadece reaktif güç kompanzasyonu yapılacaksa, sanal gücün doğru bileşeni kullanılarak referans akımlar hesaplanır. Şekil 2.16’da sanal gücün doğru bileşeninin elde edilmesi ve bu güç kullanılarak referans filtre akımlarının elde edilmesi görülmektedir. Denklem 2.15, sanal gücün doğru bileşeninin tersi olan referans filtre gücünden αβ eksenindeki referans filtre akımlarının elde edilişini göstermektedir. Şekil 2.17’de Tablo 2.1’de değerleri verilen tristörlü doğrultucunun reaktif güç kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hesaplanan referans filtre akımı görülmektedir.
Hem harmonik akım kompanzasyonu hem de reaktif güç kompanzasyonu yapılacaksa, sanal gücün dalgalı ve doğru bileşenleri ile gerçek gücün dalgalı bileşeni kullanılarak referans akımlar hesaplanmalıdır. Şekil 2.18’de, gerçek gücün dalgalı bileşeni ve sanal gücün elde edilmesi ve bu güçlerden referans filtre
30
akımlarının elde edilmesi görülmektedir. Denklem 2.16, gerçek gücün dalgalı bileşeni ve sanal gücün tersi olan referans filtre güçlerinden αβ eksenindeki referans filtre akımlarının elde edilişini göstermektedir. Şekil 2.19’da Tablo 2.1’de değerleri verilen tristörlü doğrultucunun harmonik akım ve reaktif güç kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hesaplanan referans filtre akımı görülmektedir. Tablo 2.2’de, yapılacak olan kompanzasyon tipine göre gerekli olan güç bileşenleri verilmiştir.
Şekil 2.14: Harmonik akım kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak referans filtre akımlarının hesaplanması.
* * 1 * * ~ ~ f f f f q p v i i (2.14)Şekil 2.15: Harmonik akım kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hesaplanan referans filtre akımı.
vα vβ [C] [C] iya iyc iyb va vc vb [vαβ] iyα iyβ YGF py YGF qy [vαβ]-1 [C]-1 ifa* ifc* ifb* * f p ~ * f q ~ ifα* ifβ * -1 -1 y p~ y q ~
31
Şekil 2.16: Reaktif güç kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak referans filtre akımlarının hesaplanması.
* 1 * * 0 f f f q v i i (2.15)Şekil 2.17: Reaktif güç kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak hesaplanan referans filtre akımı.
Şekil 2.18: Harmonik akım ve reaktif güç kompanzasyonu için anlık reaktif güç teorisi kullanılarak referans filtre akımlarının hesaplanması.
vα vβ y q -1 [C] [C] iya iyc iyb va vc vb [vαβ] iyα iyβ py AGF qy [vαβ]-1 [C]-1 ifa* ify* ifb* ifα* ifβ * * qf vα vβ -1 qy [C] [C] iya iyc iyb va vc vb [vαβ] iyα iyβ YGF py [vαβ]-1 [C]-1 ifa * ifa * ifa * y p~ ifα* ifβ* * ~ f p -1 * f q
